I chimici usano l’elettricità per convertire le molecole di scarto in preziosi combustibili liquidi

Uno studio ha rivelato un modo più efficiente per produrre metanolo.

Per anni, i chimici hanno cercato di sintetizzare materiali preziosi da molecole di scarto. Ora un team internazionale di scienziati sta studiando come l’elettricità possa semplificare questo processo.

Nel loro studio recentemente pubblicato in Natura stimolanteI ricercatori hanno dimostrato che l’anidride carbonica, un gas serra, può essere convertita in un tipo di combustibile liquido chiamato metanolo in modo molto efficiente.

Questo processo è stato eseguito prendendo molecole di cobalto ftalocianina (CoPc) e distribuendole uniformemente su nanotubi di carbonio. GrafeneTubi simili a tubi che hanno proprietà elettriche uniche. Sulla sua superficie c’era una soluzione elettrolitica, che consente alle molecole di CoPc di prendere elettroni e usarli per convertire l’anidride carbonica in metanolo facendo passare una corrente elettrica attraverso di essa.

Monitorare le reazioni chimiche

Utilizzando un metodo speciale basato sulla spettroscopia in situ per visualizzare la reazione chimica, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a vedere queste molecole trasformarsi in metanolo o monossido di carbonio, che non è il prodotto desiderato. Hanno scoperto che il percorso di reazione è determinato dall’ambiente in cui interagisce la molecola di anidride carbonica.

La messa a punto di questo ambiente controllando il modo in cui il catalizzatore CoPc è distribuito sulla superficie del nanotubo di carbonio ha consentito alla CO2 di avere una probabilità fino a otto volte maggiore di produrre metanolo, una scoperta che potrebbe aumentare l’efficienza di altri processi catalitici e avere un ampio impatto sui campi of Others, ha affermato Robert Becker, coautore dello studio e professore di chimica e biochimica presso la Ohio State University.

“Quando prendi l’anidride carbonica e la trasformi in un altro prodotto, puoi produrre molte molecole diverse. Il metanolo è sicuramente una delle molecole più desiderabili perché ha un’elevata densità di energia e può essere utilizzato direttamente come combustibile alternativo”, ha affermato.

Sebbene la trasformazione delle particelle di scarto in prodotti utili non sia un fenomeno nuovo, fino ad ora i ricercatori spesso non sono stati in grado di vedere come avviene effettivamente la reazione, una visione cruciale per poter migliorare il processo.

“Potremmo essere in grado di migliorare sperimentalmente il modo in cui qualcosa funziona, ma non abbiamo una reale comprensione di ciò che lo fa funzionare, o di cosa fa funzionare un catalizzatore meglio di quanto non faccia”, afferma Becker, specializzato in chimica delle superfici, lo studio di come le reazioni chimiche cambiano quando si verificano sulla superficie di oggetti diversi. “Un altro fattore scatenante. Sono cose a cui è molto difficile rispondere.”

Tecniche spettroscopiche avanzate

Ma con l’aiuto di tecniche speciali e di modellazione computerizzata, il team è arrivato molto più vicino alla comprensione di questo complesso processo. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo tipo di spettroscopia vibrazionale, che ha permesso loro di vedere come si comportavano le molecole sulla superficie, ha affermato Kwansong Chu, l’autore principale dello studio ed ex studioso presidenziale dell’Ohio State, le cui difficili misurazioni erano vitali per lo studio. scoperta.

“Siamo stati in grado di dire dai segnali vibrazionali che la stessa molecola si trovava in due diversi ambienti di reazione”, ha detto Zhu “Siamo stati in grado di correlare che uno di quegli ambienti di reazione era responsabile della produzione di metanolo, che è un liquido prezioso carburante.”

Secondo lo studio, l’analisi approfondita ha anche scoperto che queste molecole interagivano direttamente con molecole cariche chiamate cationi, che promuovevano la formazione di metanolo.

Baker ha affermato che sono necessarie ulteriori ricerche per saperne di più su ciò che questi cationi consentono, ma una scoperta come questa è la chiave per ottenere un modo più efficiente per produrre metanolo.

“Stiamo osservando sistemi molto importanti e imparando cose su di essi che sono state in discussione per molto tempo”, ha affermato Baker. “Comprendere la chimica unica che si verifica a livello molecolare è davvero importante per consentire queste applicazioni”.

Oltre ad essere un carburante a basso costo per veicoli come aerei, automobili e navi mercantili, il metanolo prodotto da elettricità rinnovabile può essere utilizzato anche per il riscaldamento e la produzione di energia, alimentando future scoperte chimiche.

“Ci sono molte cose interessanti che potrebbero emergere in base a ciò che abbiamo imparato qui, alcune delle quali abbiamo già iniziato a fare insieme”, ha detto Baker, “ed è un lavoro in corso”.

Riferimento: “L’ambiente di dissoluzione della ftalocianina di cobalto distribuito molecolarmente determina la selettività del metanolo durante l’elettroriduzione della CO2” di Quansong Zhu, Conor L. Rooney, Hadar Shema, Christina Zeng, Julien A. Panetier, Elad Gross, Hailiang Wang e L. Robert Baker, 8 luglio 2024, Natura stimolante.
doi: 10.1038/s41929-024-01190-9

I coautori includono Conor L. Ronnie e Hailiang Wang Min Università di YaleHadar Shema e Elad Gross dell’Università Ebraica, e Christina Zeng e Julian A. Panettier dell’Università di Binghampton. Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dalla collaborazione internazionale USA-Israele Binational Science Foundation (BSF).